COMBUSTION CONTROL OF DIESEL SPRAYS BY MEANS OF LASER INDUCED PLASMA IGNITION

Abstract

[ES] En los últimos años, la investigación en motores se ha centrado principalmente en la reducción de emisiones contaminantes y en el aumento de la eficiencia. Muchos de los esfuerzos de investigación actuales en este campo están dirigidos a mejorar y desarrollar nuevas estrategias activas para la reducción de emisiones, en particular centradas en los nuevos conceptos de combustión y en la obtención de un mejor control sobre ella. Su desarrollo requiere la aplicación de nuevas herramientas experimentales y teóricas. Estas herramientas deberían permitir tanto la aplicación de nuevas estrategias activas de control de contaminantes como ampliar el conocimiento básico de los fundamentos de los procesos involucrados. En este contexto es donde se encuadra el objetivo de esta Tesis: el desarrollo y optimización de un nuevo sistema de encendido no intrusivo y modulable, que permitirá el control sobre el tiempo y la ubicación del punto de encendido. Dicho sistema se aplicará para el encendido de chorros Diesel de inyección directa. En particular, se pretende evidenciar cómo las condiciones locales al encendido pueden afectar al desarrollo de la combustión posterior. Para lograr este objetivo, el trabajo de investigación se ha dividido en dos bloques principales. El primero se centra en el desarrollo y la optimización del sistema de encendido. Aprovechando las posibilidades que ofrece el proceso de inducción de plasma con láser y, una vez seleccionado el mejor método de inducción para su aplicación en un entorno especifico como el de un motor, se ha llevado a cabo un proceso de optimización y validación del sistema. Tal proceso resulta de importancia básica en el desarrollo de esta investigación, ya que la aplicación de un sistema de encendido totalmente fiable resulta ser fundamental, tanto en términos de su posible aplicación para control de combustión como en términos de las posibilidades de estudios que pueda ofrecer. Al principio, a partir de un extenso estudio de la literatura sobre el proceso de inducción de plasma con láser, se han obtenido los parámetros fundamentales a tener en cuenta para la aplicación del sistema al encendido de chorros de combustible de inyección directa. A partir de estos parámetros, se ha diseñado un primer sistema de encendido. Luego su fiabilidad en la inducción de plasma ha sido estudiada experimentalmente en condiciones ambientales y de motor, aplicando una metodología de optimización desarrollada en este mismo trabajo experimental. Como resultado principal de este primer bloque de trabajo, se ha podido obtener un sistema de encendido por plasma inducido con láser completamente optimizado y fiable, así como un método novedoso para su validación y optimización. El segundo bloque de trabajo corresponde a la aplicación del sistema al encendido de un chorro Diesel de inyección directa en condiciones reales del motor. El objetivo de este bloque era lograr dos hitos principales: la determinación de las capacidades y los límites del sistema en su aplicación, y el desarrollo de un primer estudio experimental sobre la influencia de las condiciones locales de la zona de encendido sobre una combustión Diesel. Para lograrlo, primero se ha validado la capacidad de encendido del sistema bajo un conjunto adecuado de condiciones termodinámicas, previamente seleccionadas para mantener la máxima efectividad. Los resultados de este estudio, en comparación con los típicos parámetros de autoencendido en las mismas condiciones, han permitido demostrar la capacidad de encendido del sistema. Posteriormente, se ha llevado a cabo una variación paramétrica de tiempos y posiciones en las que inducir el plasma, con el fin de determinar el efecto de las condiciones locales sobre el desarrollo de la combustión Diesel. En este caso, al comparar los resultados obtenidos con los parámetros estándar de autoencendido, se han podido obtener tendencias interesantes, que subra

[CA] En els últims anys, la investigació en motors s'ha centrat principalment en la reducció d'emissions contaminants i en l'augment de l'eficiència. Molts dels esforços d'investigació actuals en aquest camp estan dirigits a millorar i desenvolupar noves estratègies actives per a la reducció d'emissions, en particular centrades en els nous conceptes de combustió i en l'obtenció d'un millor control sobre ella. El seu desenvolupament requereix l'aplicació de noves eines experimentals i teòriques. Aquestes eines haurien de permetre tant el desenvolupament i aplicació de noves estratègies actives de control de contaminants com ampliar el coneixement bàsic dels fonaments dels principals processos involucrats. En aquest context és on s'enquadra l'objectiu principal d'aquesta Tesi: el desenvolupament i l'optimització d'un nou sistema d'encés no intrusiu i modulable, que permetrà el control sobre el temps i la ubicació del punt d'encés. Aquest sistema s'aplicarà per a l'encesa de dolls Diesel d'injecció directa. En particular, es pretén evidenciar com les condicions locals a l'encesa poden afectar el desenvolupament de la combustió posterior. Per a aconseguir aquest objectiu, el treball de recerca s'ha dividit en dos blocs principals. El primer se centra en el desenvolupament i l'optimització del sistema d'encesa. Aprofitant les possibilitats que ofereix el procés d'inducció de plasma amb làser i, una vegada seleccionat el millor mètode d'inducció per a la seua aplicació en un entorn especifique com el d'un motor, s'ha dut a terme un procés d'optimització i validació del sistema. Tal procés resulta d'importància bàsica en el desenvolupament d'aquesta investigació, ja que l'aplicació d'un sistema d'encesa totalment fiable resulta ser fonamental, tant en termes de la seua possible aplicació per a control de combustió com en termes de les possibilitats d'estudis que puga oferir. Al principi, a partir d'un extens estudi de la literatura sobre el procés d'inducció de plasma amb làser, s'han obtingut els paràmetres fonamentals a tindre en compte per a l'aplicació del sistema a l'encesa de dolls de combustible d'injecció directa. A partir d'aquests paràmetres, s'ha dissenyat un primer sistema d'encesa. Després la seua fiabilitat en la inducció de plasma ha sigut estudiada experimentalment en condicions ambientals i de motor, aplicant una metodologia d'optimització desenvolupada en aquest mateix treball experimental. Com a resultat principal d'aquest primer bloc de treball, s'ha pogut obtindre un sistema d'encés per plasma induït amb làser completament optimitzat i fiable, així com un mètode nou per a la seua validació i optimització. El segon bloc de treball correspon a l'aplicació del sistema a l'encesa d'un doll Dièsel d'injecció directa en condicions reals del motor. L'objectiu d'aquest bloc era aconseguir dues fites principals: la determinació de les capacitats i els límits del sistema en la seua aplicació a l'encesa de dolls d'injecció directa, i el desenvolupament d'un primer estudi experimental sobre la influència de les condicions locals de la zona d'encesa sobre el desenvolupament posterior d'una combustió Diesel. Per a aconseguir-ho, primer s'ha validat la capacitat d'encesa del sistema sota un conjunt adequat de condicions termodinàmiques, prèviament determinades per a mantindre la màxima efectivitat. Els resultats d'aquest estudi, en comparació amb els típics paràmetres d'autoencesa en les mateixes condicions, han permés demostrar la capacitat d'encesa del sistema. Posteriorment, s'ha dut a terme una variació paramètrica de temps i posicions en les quals induir el plasma per a forçar l'encesa, amb la finalitat de determinar l'efecte de les condicions locals sobre el desenvolupament de la combustió Diesel. En aquest cas, en comparar els resultats obtinguts amb els paràmetres estàndard d'autoencesa, s'han pogut obtindre tendències interessants, que subratl

[EN] In the recent years the engine research has been mainly focused on the pollutant emissions reduction and on increasing the efficiency. Many of the actual research efforts in the field of the Internal Combustion Engines are aimed to improve and develop new active strategies for emission reduction, particularly centered on new combustion concepts and a general improved combustion control. Their development requires the application of new experimental and theoretical tools, allowing both to be directly applied as an active pollutant control strategy and to permit to expand the basic knowledge of the governing processes' fundamentals. This is the concept where the main objective of this Thesis is framed: the development and optimization of a new, non-intrusive and modulable ignition system that will allow the control on the position and timing of the ignition spot. Such system will be applied to the ignition of direct injection diesel sprays in order to expand the knowledge of the ignition process, particularly considering how the local conditions at the ignition are affecting the subsequent combustion development. In order to accomplish the proposed objective, the research work has been divided in two main blocks. The first one is focused on the development and optimization of the ignition system. Taking advantage of the possibilities granted by the laser plasma induction process and, once selected the best induction method for its application in an internal combustion engine environment, a process of optimization of the ignition system has been carried out. Such optimization process results to be of basic importance for this research development. In fact, the application of fully reliable ignition system is fundamental both in terms of its possible direct application for combustion modulation purposes and in terms of the new study possibilities that is able to deliver. At first, from an extensive literature survey upon the plasma laser induction process, the fundamental parameters to focus on for the application of the system to the ignition of direct injection fuel sprays have been obtained. Starting from these parameters, a first ignition system has been designed, and then its reliability in the plasma induction has been experimentally tested under ambient and engine-like conditions, applying an original optimization methodology. As a main result of this first work block, a fully optimized and completely reliable laser induced plasma ignition system has been obtained, and an original system validation and optimization method has been developed. The second work block corresponds to the application of the ignition system to a direct injection diesel spray under real engine conditions. This block aimed to accomplish two main goals: the determination of the system capabilities and limits for the spray ignition application and the development of a first experimental study regarding the influence of the local conditions at the ignition location on the subsequent development of diesel combustion. In order to do so, first the system ignition capability has been tested on a diesel spray, under an adequate set of thermodynamic conditions determined to maintain the maximum possible system feasibility. The results of this study, compared with the standard combustion diagnostics parameters for the autoignition event at the same conditions, proved its ignition capabilities. Then a parametric variation of the local timing and position of the induced plasma generation region has been carried out, in order to determine the effect of the local condition on the combustion development. By comparing the obtained results with standard autoignition parameters at the same conditions, interesting trends have been obtained, that underline the system ability to control and modulate the combustion event